新型薄層噴涂材料在終采線留巷噴漿防火中的應用

李洪先，徐書榮，盧安陳，王 凱，楊 華

(1.貴州安晟能源有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州黔西能源開發有限公司，貴州 畢節 551700)

目前，國內煤礦普遍采用噴射混凝土或砂漿來封閉巷道表面，但隨著煤礦工程技術向集約化的方向發展，該技術措施的缺陷也越來越明顯[1-2]：一是施工工藝復雜，工人勞動強度大，噴射速度慢，尤其是對機掘錨網巷道采取噴射混凝土封閉時，在噴射施工速度上遠遠匹配不上機械化掘進的施工進度；二是噴射混凝土回彈率高，成本高；三是施工現場粉塵濃度高，環境差；四是噴射混凝土噴層受動壓影響，巷道噴層容易掉皮、脫落[3-5]。在傳統錨網噴支護體系中，起到主要支護作用的是錨網支護，因此，在穩定性較好的巷道中，只要錨桿的支護作用長期有效，巷道的混凝土涂層就能保證持續的穩定性，實現對巷道表面的有效封閉[6]。然而在變形量大的巷道(如沿空留巷、沿空掘巷)中，巷道的混凝土涂層則損壞嚴重，需要經常復噴，涂層封閉效果差、巷道維護成本高、工作環境污染大。因此，研究新的噴涂材料及工藝勢在必行，采用薄層噴涂技術對巷道進行防護封閉具有一定的創新和現實意義[7]。

工作面終采線是最容易引發煤自然發火的地點，一般在工作面停采后應立即進行封閉。青龍煤礦為緩解采掘接續緊張，解決11808運輸巷的掘進煤運輸問題，不得已在21802工作面停采后實行終采線留巷，導致終采線全部暴露在通風巷道中，自然發火的危險性進一步增大。如果不采取有效的封堵漏風措施，極易引發自然發火事故。筆者針對終采線留巷變形量大、漏風條件復雜的問題，研發了新型礦用薄噴材料及工藝，以有效降低21802終采線的漏風量，杜絕自然發火事故，為沿空巷道的噴涂堵漏提供有效的技術手段。

1 礦用薄層噴涂技術原理及優勢

1.1 礦用薄層噴涂技術原理

礦用薄層噴涂，是一種新的支護理念，噴涂材料通常由水泥、聚合物及反應或非反應多組分材料組成[8]。其多應用于圍巖表面，噴涂幾毫米厚度的涂層，起到封閉巷道表面、保護錨網支護體系的作用[9-10]。綜合噴層在應力控制和結構控制地質條件下的支護作用，薄層噴層的支護機理可以簡單表示為承載層作用、膠結作用、楔子作用[11]。

承載層作用主要體現在噴層作為一種獨立的支護結構而受力，其通過自身的抗壓抗彎強度承載外部的力。膠結作用包括兩個方面：一是噴層與基底巖面間的黏結作用；二是噴層材料滲入圍巖裂隙中的膠結作用。當噴層材料滲入裂隙，即塊體周圍空洞、裂隙被充填后，巖塊在下落過程中會由于沒有足夠的剪漲空間而保持穩定不掉落，類似于注漿，噴層材料滲入裂隙中的楔子作用主要體現在充填節理的抗壓剛度的增大，即圍巖剛度的增大[12-13]。

1.2 礦用薄層噴涂技術優勢

相比傳統噴射混凝土噴層，薄層噴涂技術具有以下優點[14-15]：

1)施工速度快。礦用薄層噴涂技術涂層薄，施工工藝簡單，施工速度是普通噴射混凝土施工速度的5倍以上，對巷道掘進作業影響小，可以節省巷道施工中噴漿作業所用工時。

2)粘結力強，密閉性好。可以快速牢固粘結巖石、煤體等不同材料，能夠有效隔水，噴層有較好的柔韌性、抗彎折性、成膜性。

3)成本低。傳統噴射混凝土施工強度大，對噴涂機械要求較高，而使用礦用薄層噴涂技術的材料和設備投資成本遠低于傳統噴射混凝土的成本。

4)節能環保，產塵少。薄層噴涂采用濕噴工藝，材料無毒無味，現場施工無粉塵，作業環境好，安全環保。

2 礦用薄層噴涂材料

2.1 材料配比與制備

礦用薄層噴涂材料是一種聚合物改性水泥基材料，主要分為反應型和非反應型兩種類型。反應型主要為聚氨酯/聚脲雙組分體系，優點是成膜固化性能好、抗壓強度高，缺點是固化過程中存在放熱現象，且對噴涂配套設備要求較高，操作系統復雜，經濟成本較高[16-17]。非反應型以水泥基材料為主，一般通過在水泥凈漿中添加聚合物助劑改性而成，優點是價格低廉，缺點是支護強度較低，粘結能力較差，服務年限較短[18]。青龍煤礦現場試驗所應用的薄層噴涂材料主要有：水灰比固定50%，聚灰比15%的VAE乳液，輕質碳酸鈣、纖維素、速凝劑、減水劑、消泡劑、成膜劑的添加量根據文獻研究情況，選擇常用的推薦添加量[19-21]。

在礦用薄層噴涂材料確定之后，按照以下步驟進行制備：

1)液相材料制備。將纖維素與聚合物乳液溶于水中，為了減少混合過程中氣泡的產生，需在此時加入消泡劑，低速攪拌2～3 min，待攪拌均勻后加入成膜劑及其他液體助劑，繼續低速攪拌1 min，使聚合物乳液與各助劑在水中充分混合。

2)固相材料制備。將水泥與碳酸鈣2種粉體及其他固體助劑混合攪拌，直至充分打散。

3)固相材料與液相材料混合。將固相材料按比例分批倒入液相材料中，每倒一次低速攪拌1 min，最后加入速凝劑與減水劑，繼續低速攪拌3 min。

按照以上步驟混合完成后，相關材料即可應用于礦用薄層噴涂材料的現場施工。

2.2 材料性能

通過旋轉式黏度計和噴射實驗，對薄層噴涂材料的漿體黏度及黏附性能進行分析。在風壓為0.4 MPa、噴距為40 cm時，漿體在壁面的黏附性較好，材料在壁面分布均勻，測得黏度為5 800 MPa·s；按照設計的噴涂試驗參數制備薄層噴涂材料試件，進行拉拔實驗和抗壓、抗折實驗，分別測得薄層噴涂材料的抗拉強度為1.94 MPa、抗折強度為4.33 MPa、抗壓強度為10.56 MPa；彈性模量可以直觀地反映出材料的力學性能，使用微機控制電液伺服萬能試驗機測得材料的彈性模量為4.23 GPa。

2.3 噴涂效果分析

利用“有效面積比”作為薄噴效果的評價指標。“有效面積比”是指有效漿體面積與大理石受噴面面積的比值。有效漿體面積是指在利用噴槍完成薄層噴涂材料噴射之后，在大理石受噴面上形成連續的、噴層厚度在3～5 mm的區域面積。有效面積比數值越大，表明噴射工藝參數實現的薄層噴涂材料應用效果越好，其計算公式如下：

(1)

式中：r有效為受噴面漿體面積與大理石受噴面面積的比值；S漿體為受噴面上形成連續的、噴層厚度在3～5 mm的區域面積，m2；S受噴面為大理石受噴面面積，m2。

通過噴射平臺進行實驗得到最佳的噴射參數：在噴嘴與受噴面的距離為40 cm、風壓為0.4 MPa時，薄層噴涂材料能夠到達并形成有效的噴射面積，有效相對面積為36.9%，噴射效果良好。

3 現場試驗

3.1 試驗地點概況

青龍煤礦位于貴州省畢節市黔西縣，礦井設計生產能力120萬t/a。青龍煤礦可采煤層有16、17、18、22、24、27、30煤層，共7層，目前開采16、17、18煤層。當前采用留設煤柱的傳統“121”工法走向長壁后退式采煤工藝進行回采，綜合機械化采煤。為了緩解采掘接續緊張的局面，在21802 工作面終采線回撤通道進行切頂卸壓而形成21802措施巷，即終采線留巷，其主要功能是作為11808工作面運輸巷掘進時的出煤巷道，巷道位置如圖1所示。為減輕采動影響，減小巷道變形量及變形速度，撤架后采用“單體+鉸接頂梁”進行主動臨時支護。21802措施巷寬度均為4.5 m，長度為235 m，平均傾角為9°。為減少21802措施巷向終采線及其采空區的漏風，防止自然發火事故，對21802措施巷采取了全斷面噴漿堵漏的薄層噴涂技術措施。

圖1 21802措施巷(終采線留巷)位置示意圖

3.2 現場試驗過程

由于21802措施巷成巷初期，本巷道及采空區上覆巖層受采動影響，處于非穩定狀態，巷道頂底板及巷幫變形大，如果采用傳統的水泥砂漿噴漿堵漏，隨著采動壓力的逐步顯現，漿皮極易出現脫落、開裂等現象，嚴重影響封堵的效果。而終采線附近留有大量的破碎煤體，如果等巷道礦壓穩定后再進行噴漿則會導致終采線長時間處于裸露狀態，極易引發自然發火事故。

選用抗變形效果好的薄噴材料作為噴漿材料，對21802措施巷的全斷面進行噴漿堵漏。同時，考慮21802措施巷為煤巷，其一側巷幫為采空區，巷道的壁面不平整，如果噴涂厚度太薄，會影響封閉效果。因此，采用多次噴涂的方式進行噴涂施工，即首先在巷道裸幫上噴涂1層礦用薄層噴涂材料，其厚度為5 mm，待噴層固化穩定后立即進行復噴，厚度為10 mm，二次噴涂完成后，根據巷道實際情況，對部分未完全覆蓋區域進行補噴，補噴厚度為5 mm。噴涂試驗參數如表1所示。

表1 21802措施巷全斷面噴涂試驗參數

4 現場效果考察

為考察噴涂效果，通過監測巷道變形量，對比薄噴層的破壞情況來對噴涂效果進行定性分析。同時，通過在21802措施巷設置測點對采空區的氣體參數進行測定，監測采空區漏風情況。

4.1 巷道表面位移監測

通過巷道表面位移監測數據可較好地判定巷道圍巖的運動情況，分析圍巖是否進入穩定狀態，與此同時，可以分析噴漿涂層的破壞程度與巷道變化量之間的關系[22]。巷道表面位移監測包括兩幫相對移近量、頂底板相對移近量、頂板下沉量、底鼓量[23]。測量方法如下：用收斂儀(十字測點位移儀)分別測量各測點到基準點的距離，兩測點相鄰2次測試數據的差值即為兩點相對移近量，以此累加相鄰2次測試數據的差值即可得兩點相對總移近量。在21802措施巷共布置3個測點，分別位于距巷道上、下口10 m及巷道中間位置。21802措施巷距巷道上口10 m處的巷道變形監測情況如圖2所示。

(a)巷道頂底板巖層移動變形

由圖2可以看出，在切頂留巷后約90 d，頂底板處于穩定狀態，此時頂板下沉量為48 mm，底板鼓起量為102 mm，頂底板移近量為150 mm，巷道變形較為輕微。21802措施巷上口監測點全斷面巷道及矸石幫現場如圖3所示。

圖3 21802措施巷上口監測點全斷面巷道及矸石幫現場圖

從圖3中可以看出，巷道頂板非常平整，變形量較小。沿空側的巷幫噴漿涂層非常完整，沒有開裂變形等現象，尤其是在U型鋼梁結合處，由于薄噴涂層的作用，沒有出現結合處漿皮脫落或開裂的現象。

21802措施巷中部測點的巷道變形監測情況如圖4所示。切頂留巷90 d時的巷道變形：頂板下沉量為90 mm，底板鼓起量為175 mm，頂底板移近量為265 mm；實體煤幫移近量為54 mm，矸石幫移近量為17 mm，兩幫移近量為71 mm，巷道變形相對措施巷上口的監測點變形較大。

(a)巷道頂底板巖層移動變形

21802措施巷中部監測點全斷面巷道及矸石幫現場如圖5所示。可以看出，巷道頂板相對平整，巷道兩幫變形量不大，沿空側的巷幫噴漿涂層相對完整，沒有出現大的開裂、脫落等現象；但在局部出現了漿皮脫落的現象，脫落處主要發生在單體支柱附近，這是由于巷道的底鼓量較大，液壓單體支柱受力加大但其變形量較小；而漿皮的變形隨著矸石幫的變形而變化，其變形量與單體支柱的變形量不一致，造成了噴涂層與單體支柱的結合部出現脫落現象。

圖5 21802措施巷中部監測點全斷面巷道及矸石幫現場圖

21802措施巷距巷道下口10 m測點的巷道變形監測情況如圖6所示。切頂留巷90 d時的巷道變形：頂板下沉量為160 mm，底板鼓起量為220 mm，頂底板移近量為380 mm；實體煤幫移近量為71 mm，矸石幫移近量為20 mm，兩幫移近量為91 mm，巷道變形相對21802措施巷上口和中部的監測點變形量要大。這是由于21802措施巷為傾斜巷道，巷道平均傾角約為9°，上下口的高差約為42 m，加上處于采空區的終采線處，在下部形成應力增高區，因此，措施巷下段的巷道變形量較大。

(a)巷道頂底板巖層移動變形

21802措施巷下口監測點全斷面巷道及矸石幫現場如圖7所示。可以看出，頂板的變形量很大，局部地點出現了彎曲變形，但是薄噴涂層基本保持完好，說明噴涂材料具有良好的抗拉伸特性；同時，還可以觀察到在矸石幫的液壓支柱支撐處，涂層出現了較大范圍的脫落，破壞嚴重，說明薄噴涂層在雙向受力時，其彈塑性變形遭到破壞，抗壓能力不強，這也充分證明了薄層噴涂材料更適用于柔性支護，而不適用于剛性支護，其主要功能還是對巷道起到的封閉作用，支護只是其輔助作用。

圖7 21802措施巷下口監測點全斷面巷道及矸石幫現場圖

4.2 采空區漏風及CO監測

在沿空巷道和采空區布置CO及漏風的監測點，通過對CO濃度和漏風量的監測，掌握留巷過程中采空區CO濃度變化及沿空巷道的漏風情況，對薄噴涂層的封閉效果進行考察。

測定地點分別在措施巷的上口和下口斷面穩定處，每10 d測定1次，下口的進風量減去上口的回風量即為漏入采空區的風量。測定工作連續進行了近3個月，測定結果如表2所示。

表2 21802措施巷風量測定數據統計

分析表2中數據可知：在未噴漿前，巷道漏風量達39 m3/min，隨著噴漿范圍的擴大漏風量逐步減少，最終穩定在10 m3/min左右，漏風率為4%左右，漏風率較小。

為監測采空區的CO濃度變化情況，沿21802措施巷自原21802運輸巷密閉向上每30 m布置1個測點，每個測點在措施巷切頂成巷前預先埋入采空區一根2 m長的鋼管，鋼管外口用螺帽封堵，監測時打開螺帽抽取采空區的氣樣進行色譜分析，采樣頻率為每周1次。選取措施巷下口的21802軌道巷密閉作為1#測點，措施巷中部的測點為2#測點，措施巷上口的測點為3#測點，對CO體積分數隨時間變化的情況進行考察。巷道進行噴涂前、后的CO體積分數變化情況如圖8所示。

圖8 21802終采線采空區CO體積分數變化曲線

從圖8中可以看出：在巷道噴涂前及噴涂過程中，整個終采線附近的采空區都出現了較高體積分數的CO，在21802措施巷上口的監測點最高達1.1×10-4，21802軌道巷的密閉內CO體積分數也在4.5×10-5，在21802措施巷全部噴涂完畢后，終采線的漏風得到了控制，漏風供氧量逐步減少，各測點的CO體積分數逐步下降并維持在較低的水平，消除了終采線遺煤的自然發火威脅，薄噴涂層的封閉效果得到了驗證。與煤礦其他工作面采用傳統噴射混凝土材料相比，新型薄層噴涂材料取得了更好的堵漏風效果。

5 結論

1)與傳統噴射混凝土噴層相比，薄層噴涂技術涂層薄，施工工藝簡單，施工速度快；噴層粘結力強，密閉性好，有較好的柔韌性、抗彎折性、成膜性，抗剪切強度高，更適用于巷道變形量大的巷道噴涂堵漏。

2)薄層噴涂后，巷道漏風量由噴涂前的39 m3/min降低到10 m3/min左右，漏風率由13%下降到4%左右，漏風率大大降低。

3)隨著噴漿范圍的不斷擴大，終采線附近的采空區CO體積分數逐步降低，并最終維持在較低的水平，消除了終采線遺煤的自然發火威脅。